Mikroskopische Analyse des Zerfalls motorischer Sprühstrahlen

Reddemann, Manuel Armin; Fritsching, Udo; Kneer, Reinhold

doi:HT018729763

Mikroskopische Analyse des Zerfalls motorischer Sprühstrahlen = Microscopic analysis of atomization of engine sprays

Reddemann, Manuel Armin

2015

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Manuel Armin Reddemann

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2015

UmfangIV, 142 S., Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2015

Genehmigende Fakultät
Fak10

Hauptberichter/Gutachter
Kneer, Reinhold (Thesis advisor)^RWTH* ; Fritsching, Udo (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2015-04-30

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-038413
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/480707/files/480707.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/480707/files/480707.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Lehrstuhl für Wärme- und Stoffübertragung (412610)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Ingenieurwissenschaften (frei) ; spray (frei) ; atomization (frei) ; spray penetration (frei) ; microscopy (frei) ; laser correlation velocimetry (frei) ; alternative Kraftstoffe (frei) ; Diesel-Injektor (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die Gestalt eines Flüssigkeitsstrahls wird maßgeblich vom düsennahen Primärzerfall in Ligamente und Tropfen bestimmt. Insbesondere für feinskalige und hochturbulente motorische Sprühstrahlen ist diese Zerstäubung bis zum heutigen Tag nur unzureichend verstanden. Ein Grund für diesen Umstand ist die schlechte optische Zugänglichkeit der düsennah ablaufenden Prozesse. Denn primäre flüssige Strukturen erreichen eine minimale Größe in der Größenordnung von sichtbarem Licht, bewegen sich mit hoher Geschwindigkeit fort und treten in großer Anzahl in Erscheinung. Eine visuelle Untersuchung wird somit stets durch Beugungseffekte, Bewegungsunschärfe und Mehrfachstreuung limitiert. Aus diesem Grund wird eine Strahlcharakterisierung meist anhand makroskopischer Parameter vorgenommen. Auch diese Arbeit beginnt mit einer makroskopischen Charakterisierung unter Zuhilfenahme einer Hochgeschwindigkeits-Streulichtvisualisierung. Dabei wird eine Parametervariation mittels einer großen Bandbreite unterschiedlicher Fluide mit stark abweichenden Stoffeigenschaften vorgenommen. Unterschiedliche empirische Korrelationen zur Vorhersage des Kegelwinkels werden hergeleitet und in einem vorhandenen analytischen Modell zur Vorhersage der Eindringtiefe bewertet. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen erfolgt im weiteren Verlauf die Analyse des düsennahen Zerfalls. Um den genannten Herausforderungen bei einer solchen Untersuchung Rechnung zu tragen, wird im Rahmen dieser Arbeit eine neuartige mikroskopische Methode entwickelt und angewendet, die sogenannte „Doppelpuls-Durchlichtmikroskopie“. Diese Methode erlaubt eine visuelle Bestimmung der Größe, Form und Geschwindigkeit primärer Strahlstrukturen mit hoher örtlicher und zeitlicher Auflösung für motorrelevante Einspritzbedingungen und Umgebungsdrücke. Die Methode wird mit der „Laser Correlation Velocimetry“ kombiniert, die die Vermessung radialer Profile der Axialgeschwindigkeit ermöglicht. Auf Basis beider Methoden wird eine detaillierte kennzahlbasierte Charakterisierung des inneren Strahlkerns, der Filmstrukturen, der Ligamente und der Tropfen für atmosphärische Bedingungen und motorrelevante Umgebungsgasdichten vorgenommen. Diese Untersuchungen bilden die Grundlage für eine Bewertung des Einflusses von Scherungseffekten, Dämpfungseffekten und der Austrittsströmung auf den Zerfall eines motorischen Sprühstrahls.

The shape of a liquid jet is strongly influenced by primary breakup close to the nozzle. Especially for microscale and highly turbulent engine sprays this atomization process is still hardly understood. One reason for this circumstance is the poor optical accessibility of the phenomenon. Visual examinations are always limited by diffraction effects, motion blur and multiple scattering of light, as atomization results in a very large number of tiny primary liquid structures, moving at high speed. For this reason, spray characterization is often made on the basis of macroscopic parameters.This work also starts with a macroscopic characterization using high-speed visualization. A parameter variation is done based on a wide range of fluids and material properties. Different empirical cone angle correlations are derived and evaluated in an existing analytical spray model. Based on these findings, the atomization close to the nozzle is analyzed in a second step. To meet the requirements for such a study, a novel microscopic method is developed and applied in this work, the so-called “Double Pulsed Transmitted Light Microscopy“. This method allows a visual determination of sizes, shapes and velocities of primary liquid structures with high spatial and temporal resolution for engine-related injection conditions and ambient pressures. The method is combined with the “Laser Correlation Velocimetry“, which allows the measurement of radial profiles of axial velocity. Based on both methods a detailed characterization of inner jet core, film structures, ligaments and droplets is done for atmospheric conditions as well as for engine-related ambient gas densities. These investigations form the basis for an interpretation of the influence of shear effects, damping effects and the outlet conditions on atomization of an engine-relevant jet.

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